Pompy ciepła | Oświetlenie LED, żarówki LED | Kolektory słoneczne | Certyfikat energetyczny | Podłogówka

Wykorzystanie energii słonecznej za pośrednictwem kolektorów słonecznych ...

Wykorzystanie energii słonecznej za pośrednictwem kolektorów słonecznych

Prof. Andrzej Chochowski

Katedra Mechanizacji i Energetyki Rolnictwa

SGGW

Tu jest miejsce na reklamę. Zobacz cennik

1. Wstęp

Przez kilka dziesięcioleci kreowano w Polsce gospodarkę energetyczną opartą na krajowych złożach węgla kamiennego i brunatnego. W świadomości społecznej zakorzenił się stereotyp zaspakajania potrzeb cieplnych, także tych lokalnych i indywidualnych, metodą spalania paliw stałych . Transformacja gospodarki w kierunku rynkowym , w powiązaniu z rosnącymi wymogami ekologicznymi, ujawniła krytyczny stan polskiego górnictwa węglowego. Pojawiła się potrzeba zaspakajania potrzeb energetycznych z innych, odnawialnych źródeł energii, do których zalicza się energię cieków wodnych, słoneczną, wiatru geotermalną, biogazu. Często te źródła energii określa się mianem niekonwencjonalnych.

Wykorzystanie źródeł odnawialnych w Polsce pomimo zauważalnego postępu w tej dziedzinie Stanowiło do roku 1997 margines gospodarki energią . Wyjątkiem są elektrownie wodne włączone w system elektroenergetyki zawodowej . Stanowią one tzw. małą energetykę, która po latach zastoju jest obecnie w fazie odbudowy. Energia elektryczna z tych elektrowni stanowi około 3% produkcji krajowej.

Wykorzystanie energii promieniowania słonecznego w celach grzewczych jest w Polsce wciąż niewielkie. Zinwentaryzowanie krajowych wdrożeń systemów słonecznych jest trudne, gdyż są to z reguły wykonania jednostkowe niewielkich rozmiarów. Szacuje się, że zainstalowano do roku 1997 ok.10000 m² powierzchni kolektorów powietrznych i ok. 1500 m² kolektorów cieczowych do podgrzewania wody użytkowej [2].

Sytuacja urbanistyczna regionów typowo wiejskich wpływa na charakter gospodarki energią. Ze względu na małe zagęszczenie budynków praktycznie nie ma możliwości budowy sieci ciepłowniczej, a ewentualna gazyfikacja jest dość kosztowna . Duże obszary wiejskiej zwykle są oddalone od centrów energetycznych . Zaopatrzenie w tradycyjne nośniki energii gorsze, a także po wyższych cenach. To właśnie one stanowią dobrą lokalizację dla wykorzystywania energii słonecznej dla celów grzewczych.

2. Zasoby helioenergetyczne Polski

W promieniowaniu słonecznym docierającym do powierzchni Ziemi wyróżnia się trzy składowe promieniowania : bezpośrednie, rozproszone i odbite . Promieniowanie bezpośrednie pochodzi od widocznej tarczy słonecznej , a jego kierunek padania jest uzależniony od aktualnej wysokości Słońca . Promieniowanie rozproszone powstaje na skutek wielokrotnego załamania na składnikach atmosfery i jest emitowane przez całą sferę. Promieniowanie odbite od najbliższego otoczenia związane jest z występującymi elementami krajobrazu i architektury, które część padającego na nie promieniowania odbijają w kierunku rozpatrywanej powierzchni.

Dla oceny spodziewanych efektów eksploatacji słonecznych instalacji grzewczych niezbędna jest znajomość zasobów energii słonecznej , zarówno na płaszczyznach nachylanych. Szczególnie przydatne są dane dotyczące płaszczyzn o orientacji południowej uznawanej za optymalną dla kolektorów słonecznych.

Dawka roczna napromienienia słonecznego 1m ² płaszczyzny poziomej wynosi w Warszawie przeciętnie 967 kWh, przy usłonecznieniu 1580 godzin. Usłonecznienie jest to liczba godzin z bezpośrednio widoczną tarczą słoneczną . W poszczególnych latach mogą występować odchylenia do 12% . Na obszarze Polski obserwuje się niewielkie różnice regionalne w zasobach energii słonecznej ( tabela 1) . Pod względem warunków słonecznych wyróżnia się pas Wybrzeża , z tym że z powodu silnych wiatrów Wybrzeże Gdańskie jest mniej atrakcyjne niż Środkowe i Szczecińskie, oraz krańce wschodnie ( Podlasie, Lubelszczyzna i Zamojszczyzna). W szerokim spojrzeniu na problemy konkurencyjności energetyki słonecznej warto zaznaczyć iż właśnie w wymienionych regionach ceny węgla kamiennego są wyższe od średniej krajowej, a i w planach różnicowania cen energii elektrycznej przewiduje się tu wzrost do 5% powyżej taryfy bazowej.

Tabela 1. Zasoby energii słonecznej w wybranych regionach Polski

Dla słonecznych instalacji grzewczych bardzo ważny jest rozkład dawek napromienienia w ciągu roku Na płaszczyznę poziomą w porze ciepłej ( kwiecień-październik) pada 80-85% energii całorocznego, natomiast na płaszczyznę eksponowaną w kierunku południowym pod zmiennym okresowo kątem nachylenia ?75-80% . Dla porównania pora chłodna ( listopad- marzec) charakteryzuje się w Polsce nie tylko niską dawką napromienienia całkowitego, ale także zwiększonym udziałem promieniowania rozproszonego, mniej istotnego w procesie pozyskiwania energii w kolektorach słonecznych .Jeśli dodać, że w tym czasie spada temperatura otoczenia, a prędkość wiatru jest wyraźnie wyższa niż w porze ciepłej to oczywistym staje się, że eksploatacja instalacji słonecznych w miesiącach listopad-marzec daje znikome efekty. Panuje pogląd, że w polskich warunkach klimatycznych energię słoneczną warto pozyskiwać tylko w sezonie ciepłym, to znaczy od kwietnia do października.

W Polsce preferowane są instalacje słoneczne do podgrzewania wody użytkowej oraz do suszenia płodów rolnych. W tych rozwiązaniach nie stosuje się długookresowej akumulacji energii słonecznej. Dlatego też ważną informacją dla pełnej oceny zasobów energii słonecznej w różnych okresach jest spodziewana liczba dni z dawkami napromienienia przekraczającymi daną wartość progową. Maksymalna dawka dzienna napromienienia płaszczyzny nachylonej może osiągnąć 8,2 kWh /m², ale tak sprzyjające warunki atmosferyczne zdarzają się dosyć rzadko. W tabeli 2 przedstawiono wydajność kolektorów cieczowych w zależności od dziennej dawki napromienienia słonecznego. W pracy [1] podano więcej informacji na ten temat.

Tabela 2. Obliczona wydajność kolektorów cieczowych w zależności od dziennej dawki napromienienia słonecznego, wg [1].

Przykładowo więc przy dobowej dawce napromienienia rzędu 3,0 kWh m² można uzyskać około 330 dm²wody podgrzanej do temperatury 40⁰C, przy dawce 4,5 kWh/m² dwa razy więcej, a przy 6,0 kWh/m^{2 p}onad trzykrotnie więcej.

W analizie zasobów energii słonecznej istotny jest kąt nachylenia rozpatrywanej płaszczyzny. Zagadnienie to jest istotne zwłaszcza na etapie projektowania instalacji. W tabeli 3 zestawiono optymalne wartości kątów dla ekspozycji południowej według kryterium maksymalizacji energii promieniowania całkowitego.

Tabela 3 Optymalne kąty nachylenia płaszczyzn eksponowanych w kierunku południowym.

3.Pozyskiwanie energii w kolektorach słonecznych

Kolektory są urządzeniami energetycznymi , które zaabsorbowaną energię promieniowania słonecznego przetwarzają w energię cieplną przy pomocy pośredniczącego w tej transformacji medium roboczego. Do podgrzewania wody użytkowej najczęściej wykorzystywane są płaskie kolektory słoneczne. Ich podstawowymi elementami konstrukcyjnymi są: pokrywa przeźroczysta ( zazwyczaj szklana ), absorber- wykonany jako metalowa płyta pokryta powłoką o specjalnych własnościach optycznych, rurociąg cieczowy mocowany do absorbera ( czasem stanowiący z nim jedną całość ), izolacja cieplna znajdująca się pod absorberem oraz obudowa.

Do bardziej nowoczesnych, ale też znacznie droższych, konstrukcji należą tubowe kolektory próżniowe, z wyższą sprawnością przetwarzające energię rozproszonego promieniowania słonecznego. ten typ kolektora składa się z kilku do kilkunastu rur szklanych o wysokiej próżni wewnątrz. W każdą rurę próżniową wbudowany jest absorber z zamocowaną rurką, w której nagrzewa się czynnik roboczy. próżnia gwarantuje minimalne straty ciepła do otoczenia.

Zasada transformacji energii słonecznej w użyteczną formę energii cieplnej jest jednakowa, bez względu na rodzaj i typ kolektora. Opiera się ona na wykorzystaniu własności cieplnych ? czarnych? powłok. Szkło i inne pokrywy przezroczyste w wysokim stopniu przepuszczają padające na nie promieniowanie słoneczne. Umieszczony pod pokrywą absorber pochłania (absorbuje) przepuszczone promieniowanie nagrzewając się, a o intensywności procesu absorpcji i nagrzewania decyduje struktura jego powierzchni. Energia cieplna jest odbierana z płyty absorbera rurociągami cieczowymi, w których czynnik roboczy podgrzewa się do temperatury zależnej od intensywności napromienienia słonecznego oraz od natężenia przepływu czynnika.

W instalacjach niskotemperaturowych ( np. podgrzewanie wody w basenach w sezonie ciepłym) spotyka się kolektory bez pokrywy czołowej. Mogą one pracować nawet z większą wydajnością cieplną od kolektorów standardowych, wtedy gdy temperatury otoczenia są dość wysokie, a wymagana temperatura podgrzewania nie przekracza 30⁰C.

Sprawność kolektora jest funkcją jego parametrów konstrukcyjnych ( użyte materiały , izolacje termiczne, układ rurociągu), ale także i eksploatacyjnych ( wydatek czynnika, napromienienie, prędkość i kierunek wiatru , obciążenie cieplne ). Im wyższe uzyskiwane przyrosty temperatur czynnika, tym niższa sprawność transformacji energii.

4. Schematy ideowe

Najprostszą, a zarazem najtańszą instalacją do podgrzewania wody jest instalacja grawitacyjna (termosyfonowa). Na rysunku 1 przedstawiono schemat takiej instalacji w wersji z obiegiem bezpośrednim i pośrednim. W instalacjach grawitacyjnych przepływ czynnika odbywa się samoczynnie wskutek unoszenia do góry cieplejszych mas ( o mniejszej gęstości ). Taki obieg jest jednocześnie samosterowany, to znaczy intensywność ruchu medium zależy od różnicy temperatur pomiędzy górnymi partiami kolektorów, a dolną częścią zbiornika. Brak pompy i układu automatycznego sterowania to niewątpliwe zalety instalacji grawitacyjnych, które w swojej najprostszej wersji mogą pracować także na terenach pozbawionych zasilania elektroenergetycznego. Jednak warunkiem ich sprawnego funkcjonowania jest odpowiednia konfiguracja. Zbiornik powinien być ustawiony pionowo i umieszczony 30-40 cm powyżej górnej krawędzi kolektorów. W celu minimalizacji oporów hydraulicznych kolektory należy łączyć równolegle, a ponadto ograniczać długość rurociągów, unikać przewężeń ich przekroju i stosować tylko niezbędne załamania. Inną wadą w praktyce spotykanych instalacji grawitacyjnych w wersji z obiegiem bezpośrednim jest wyłączenie z eksploatacji w okresie występowania temperatur ujemnych ( w Polsce od 20 października do 30 kwietnia ) oraz przyśpieszone zużycie absorbera w kontakcie z wodą wodociągową bądź studzienną. Można wprawdzie zastosować obieg pośredni z niezamarzającym i uzdatnionym czynnikiem, ale wówczas niezbędny wymiennik ciepła stanowi duże opory przepływu i zmniejsza wydajność cieplną takiej instalacji.

Bardziej uniwersalne cechy użytkowe posiadają instalacje z aktywnym czyli wymuszonym obiegiem czynnika w układzie kolektory słoneczne ? zbiornik akumulacyjny. Obieg czynnika uruchamia zazwyczaj jednofazowa pompa bezdławnicowa. W rozwiązaniu klasycznym jej pracą steruje regulator różnicowy temperatur. Uruchomienie pompy następuje wtedy, gdy temperatura czynnika mierzona na wylocie z kolektorów przekracza o zadaną wartość temperaturę mierzoną w dolnej części zbiornika akumulacyjnego . Cyrkulacja czynnika trwa do momentu zrównania obu temperatur. Cykl następnie powtarza się jeśli warunki atmosferyczne pozwalają na dalsze podgrzewanie w kolektorach. Na obszarach pozbawionych sieci elektroenergetycznej możliwy jest napęd pompy dzięki energii pozyskiwanej z ogniw fotowoltaicznych. Taki układ charakteryzuje się pewną samosterownością ?wydajność pompy jest proporcjonalna do intensywności napromienienia słonecznego ogniwa.

Instalacje słoneczne z aktywnym obiegiem kolektorowym mogą podgrzewać wodę bezpośrednio, albo pośrednio. Różnice w konstrukcji i eksploatacji obu tych wersji są groźne, z racji ciśnienia panującego w całej instalacji wodnej. Obieg bezpośredni można zastosować jeśli woda nie jest agresywna chemicznie. Wykonanie samodzielne instalacji słonecznej z obiegiem aktywnym bezpośrednim jest możliwe w oparciu o zakupione kolektory słoneczne.

Natomiast prawidłowe zaprojektowanie i zbudowanie instalacji słonecznej z obiegiem aktywnym pośrednim uważanej za rozwiązanie w pełni profesjonalne wymaga raczej zaangażowania fachowej firmy. Szczegóły na ten temat można znaleźć w [1].

Sterowanie pracą słonecznej instalacji grzewczej z obiegiem aktywnym realizowane jest automatycznie. W najprostszej konfiguracji wystarczy odpowiadający za obieg kolektorowy regulator różnicowy temperatur współpracujący z dwoma czujnikami temperatur oraz termostat określający tryb pracy konwencjonalnego segmentu grzewczego. Producenci instalacji słonecznych oferują wielozadaniowe regulatory z zestawami czujników, dostosowane do danego rozwiązania.

Kolektory najczęściej montowane są na dachach budynków mieszkalnych lub gospodarczych. Najlepiej jeśli znajdują się bezpośrednio nad punktami rozbioru wody ( łazienki, kuchnie itp.). Ogranicza się w ten sposób długość rur łączących zmieniając straty energii cieplnej. Oznacza to, że już na etapie projektowania budynku powinna być rozważona ewentualna możliwość budowy instalacji słonecznej, można wówczas odpowiednio zaprojektować układ mieszkania i rozlokować punkty czerpalne ciepłej wody. Jeśli natomiast do istniejących już budynku dobudowany jest zestaw kolektorów, musimy przyjąć w założeniach istniejącą orientację budynku i pochylenie dachu, a ponadto trzeba się liczyć z koniecznością znacznej przebudowy połączeń wodociągowych.

5. Rozmiary instalacji ciepłej wody użytkowej

Podstawowym problemem w projektowaniu instalacji jest ustalenie pola powierzchni (liczby) kolektorów. Występuje tu oczywisty związek z zapotrzebowaniem energii do realizacji wspomaganego procesu grzewczego. Teoretycznie można rozbudować instalację słoneczną do takich rozmiarów, że przy wykorzystaniu systemu akumulacyjnego możliwe byłoby pokrywanie zapotrzebowania energii w danym procesie w blisko 100%-ach. Nie jest to jednak racjonalne gdyż po przekroczeniu pewnej wartości powierzchni instalacji, każda następna dołączana jednostka ma niewielki udział w efektach energetycznych, podnosząc jedynie koszt inwestycji.

Dobór liczby kolektorów wymaga zatem ustalenia jakie jest zapotrzebowanie energii w danym procesie grzewczym oraz określenia uzasadnionego poziomu pokrycia tego zapotrzebowania przez energię słoneczną.

Dobór liczby kolektorów opiera się na założeniu, że w okresie letnim mają zapewnić prawie 100% energii potrzebnej do podgrzania wody użytkowej do temperatury 45⁰C w ilości odpowiadającej dobowemu zużyciu. W przypadku kolektorów płaskich ich łączna powierzchnia powinna wynosić

1,5-3,0m² w przeliczeniu na 100 dm³ dobowego rozbioru ciepłej wody. Natomiast w przypadku kolektorów próżniowych wystarczy 1,2-1,6 m² /100dm³.

Zwiększenie liczby kolektorów jest równoznaczne z osiąganiem wyższych temperatur w zbiorniku Solarnym, zatem wzrasta udział energii słonecznej w procesie przygotowania ciepłej wody. Jednocześnie spada sprawność pracy kolektorów i całej instalacji słonecznej. W polskich warunkach klimatycznych przekroczenie poziomu 3,5m² kolektorów w przeliczeniu na 100dm³ ciepłej wody z energetycznego i ekonomicznego punktu widzenia nie jest wskazane. Powyżej tej granicy przyrost powierzchni instalacji nie daje proporcjonalnych do kosztów efektów cieplnych. Natomiast redukowanie liczby kolektorów obniża temperaturę pracy instalacji, co poprawia jej sprawność. Jednakże poniżej 1,5 m²/100dm³ sens przedsięwzięcia jest wątpliwy z racji mało satysfakcjonującego stopnia wspomagania konwencjonalnego ogrzewania.

Producenci instalacji słonecznych w swoich prospektach reklamowych zalecając na przykład 3m² kolektorów na 100dm³ ciepłej wody zapewniają 80-90%-owy udział energii słonecznej w jej podgrzewaniu od maja do września oraz ok. 60%-owy w skali całego roku. Należy jednak zwrócić uwagę, że chodzi tu raczej o udział w podgrzaniu do 45-50⁰C, co nie jest równoznaczne ze stopniem pokrycia zapotrzebowania energetycznego pełnego procesu przygotowania ciepłej wody . W rzeczywistości należy uwzględnić wymaganą temperaturę w zbiorniku na poziomie 60⁰C oraz fakt stałego występowania strat ciepła przez izolację ogrzewacza. Zatem zasilając ogrzewacz wodą podgrzaną w zbiorniku solarnym do 50⁰C można pokryć jego całkowite zapotrzebowanie energetyczne tylko w ok. 70%-ach. Trzeba więc przyjąć, że przy zastosowaniu kolektorów o powierzchni 3m² udział energii słonecznej w przygotowaniu 100dm³ ciepłej wody może wynosić ok. 70% w miesiącach letnich i do 50% w skali roku.

Objętość zbiornika akumulacyjnego przyjmuje się na podstawie przeciętnego dobowego rozbioru ciepłej wody w obiekcie. Dla większych instalacji słonecznych o znacznych wahaniach rozbioru zaleca się objętość zbiornika akumulacyjnego odpowiadającą 1,5-krotnemu zapotrzebowaniu. Dobrze zaizolowane zbiorniki ofertowe na rynku wyposażone są w wymienniki płaszczowe, a częściej w rurociągowe wykonane z miedzi ( średnica 18 albo 22mm) albo stali nierdzewnej ( Średnica ?? albo1?). Powierzchnia wymiany ciep?a w tych wymiennikach wynosi 0,6-1,2m² na 100dm³ pojemności zbiornika, co dla konstrukcji rurowej oznacza 10-20mb/ 100dm³. W praktyce przy doborze rozmiarów instalacji słonecznych korzysta się z uproszczonych algorytmów obliczeniowych lub nomogramów. Producenci opracowują je na podstawie wyników symulacji komputerowych z wykorzystaniem programów szczegółowo opisujących wymianę ciepła w kolektorach i zbiornikach w warunkach nasłonecznienia o typowym dla rozpatrywanej lokalizacji przebiegu i dla standardowych harmonogramów rozbioru ciepłej wody. Istnieje szereg czynników warunkujących opłacalność wdrażania słonecznych systemów grzewczych. Jeden z najważniejszych jest wielkość zasobów energii słonecznej, zarówno w kontekście pewnego zróżnicowania na terenie Polski jak też w zależności od kierunku kąta i ekspozycji. Drugim bardzo istotnym dla potencjalnych inwestorów warunkiem powodzenia przedsięwzięcia jest właściwy wybór obiektu, w którym słoneczny system grzewczy ma być zastosowany. Przede wszystkim trzeba rozstrzygnąć jaki nośnik energii będzie zastępowany energią słoneczną. Najbardziej atrakcyjnym wydaje się wspomaganie instalacji grzewczych o najwyższych kosztach wytwarzania energii cieplnej. Po analizie kosztów wytwarzania ciepła z konwencjonalnych nośników należy ustalić jaką wydajność osiągnie wspomagająca instalacja słoneczna. Precyzyjne podanie spodziewanych efektów nie jest łatwe, zależą one bowiem od wielu czynników związanych z konkretnym wdrożeniem. Ostrożnie trzeba traktować wyliczenia zamieszczane w materiałach reklamowych, które są naturalnie dość optymistyczne. Na pewno nie do przyjęcia są sugestie odnośnie możliwości wykorzystania 800-1000kWh z 1-go m² powierzchni kolektorów w ciągu roku. Realne natomiast są zapowiedzi oszczędności na poziomie 400-500 kWh, ale można je osiągnąć tylko wtedy, gdy przyjęta powierzchnia kolektorów jest stosunkowo mała i możliwie w warunkach idealnego przebiegu eksploatacji. Chodzi tu o między innymi o zastosowanie względnie małej powierzchni kolektorów ? 1,5m² w przeliczeniu na 100dm³ rozbioru ciepłej wody, co jednak dałoby pokrycie zapotrzebowania ogrzewacza w niej więcej niż 30%-ach. Projektując większe rozmiary instalacji : 2,5-3,0 m² kolektorów na 100dm³ ( co jest bardziej racjonalne ) i biorąc pod uwagę rzeczywiste warunki pracy można liczyć ok. 350 kWh oszczędności z każdego m².

O rentowności instalacji słonecznej decydują wreszcie koszty poszczególnych zespołów i wykonawstwa. Traktując Wykonanie instalacji jako etap budowy obiektu lub zakładając znaczne zaangażowanie użytkownika nakłady na robociznę nie będą duże. Pozostają zatem niezależne od inwestorów ceny rynkowe elementów składowych. Producenci i dystrybutorzy instalacji słonecznych chętnie oferują gotowe zestawy montowane ?pod klucz?.

Literatura

1. Chochowski A., Czekalski D.: Słoneczne instalacje grzewcze. Wyd. COIB Warszawa 1999

2. Pabis J.: Wykorzystanie energii słonecznej w rolnictwie . Międzynarodowa, Konferencja Naukowo-techniczna

3. Wykorzystanie Energii Odnawialnej w rolnictwie , IMBER Warszawa , październik 1997

Artykuł ten pochodzi ze "starego" serwisu ekologika.com i został po raz pierwszy opublikowany w 2001 r. W związku ze zminą oprogramowania artykuł ten publikujemy ponownie. Jednocześnie informujemy, że jego poprzednia wersja *.html będzie niedostępna.


Powyższy tekst został pierwotnie wygłoszony w ramach konferencji zorganizowanej przez Netmark Dom Ekologiczny Sp. z o.o. w 1998 roku.

Wykorzystanie energii słonecznej za pośrednictwem kolektorów słonecznych